一款語音導(dǎo)覽系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、城鄉(xiāng)居民收入不斷提高和閑暇時(shí)間大量增加，旅游消費(fèi)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的新階段。為了解決旅游發(fā)展過程中交通的問題，基于固定軌道的旅游列車應(yīng)景而生。本文研究設(shè)計(jì)了一種景點(diǎn)旅游列車輔助語音自動(dòng)導(dǎo)覽系統(tǒng)。

目前，景點(diǎn)語音導(dǎo)覽主要有以下幾種方式：一種是通過全球定位系統(tǒng)(GPS)的用戶終端接收工作衛(wèi)星的導(dǎo)航信息，從而解算出車輛的經(jīng)緯度信息，進(jìn)而計(jì)算出實(shí)時(shí)坐標(biāo)，將其與景點(diǎn)坐標(biāo)相比較，當(dāng)車輛駛?cè)刖包c(diǎn)一定距離范圍內(nèi)時(shí)，不用人工干預(yù)，系統(tǒng)自動(dòng)播報(bào)景點(diǎn)語音信息;另一種是對(duì)車輪軸的轉(zhuǎn)角脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)值和預(yù)置值對(duì)比，即可確定播放時(shí)刻，達(dá)到準(zhǔn)確播放景點(diǎn)語音信息的目的;第三種方案是利用無線射頻識(shí)別技術(shù)，在每一個(gè)景點(diǎn)范圍內(nèi)設(shè)置一個(gè)具有惟一ID 的射頻發(fā)射器，采用間歇工作方式發(fā)射信號(hào)，當(dāng)旅游列車即將到達(dá)景點(diǎn)時(shí)，車載系統(tǒng)接收到射頻發(fā)射器信號(hào)并解碼出景點(diǎn)的ID 號(hào)，由系統(tǒng)控制自動(dòng)播放對(duì)應(yīng)編號(hào)的景點(diǎn)語音信息。由于景點(diǎn)自然環(huán)境的復(fù)雜性，第一種方式難以滿足系統(tǒng)要求;第二種方式簡(jiǎn)單可靠，但旅游軌道車輛運(yùn)行方向存在不確定性，其相對(duì)位置往返變化，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較低且復(fù)雜度較高。本文采用第三種方案實(shí)現(xiàn)景點(diǎn)語音自動(dòng)導(dǎo)覽系統(tǒng)。

本文首先介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，然后，給出了系統(tǒng)各主要功能模塊的具體設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)研究了基于ARM3核的STM32F103RBT6芯片與語音芯片ISD4004之間的SPI 通信控制和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果。

最后，給出了有一定工程應(yīng)用參考價(jià)值的結(jié)論。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)如圖1 所示。本設(shè)計(jì)利用旅游列車軌道固定的特點(diǎn)，在軌道沿線景點(diǎn)預(yù)先安裝固定ID的RFID,綜合考慮到作用距離、數(shù)據(jù)通信方式、可靠性、使用壽命和維護(hù)成本，選用產(chǎn)品433 MHz有源標(biāo)簽GAO C124061[1].其存儲(chǔ)ID 字長(zhǎng)32 b.由于在野外自然環(huán)境中，出現(xiàn)碰撞的可能性極低，所以，RFID 閱讀器只需要正確可靠地獲得RFID的ID值，與固定景點(diǎn)所對(duì)應(yīng)，用以觸發(fā)中斷，開始播放該景點(diǎn)的語音信息。

圖1 中，MCU 采用STM32F103RBT6 芯片[2],該芯片是基于ARM Cortex?M3內(nèi)核高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用MCU.本設(shè)計(jì)選擇這款的原因是看重其性價(jià)比：128 KB FLASH、20 KB SRAM、2個(gè)SPI、3個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、2個(gè)12位的ADC、RTC、51個(gè)可用I/O腳等一系列性能特征，能完全滿足本系統(tǒng)性能要求?？偨Y(jié)下來，STM32具有價(jià)格低、功能強(qiáng)、使用簡(jiǎn)單、開發(fā)方便等幾個(gè)很有利的優(yōu)勢(shì)。ISD4004為語音錄放存儲(chǔ)芯片[3],根據(jù)外部控制和外圍電路輔助，可隨機(jī)對(duì)其進(jìn)行語音錄入和語音播放。系統(tǒng)MCU 通過RFID 閱讀器獲得旅游列車沿途RFID的固定ID,根據(jù)ID號(hào)所對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)語音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置的起始地址信息，通過對(duì)ISD4004內(nèi)置的SPI端口進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)景點(diǎn)語音選段自動(dòng)播放。

2 主要模塊電路設(shè)計(jì)

2.1 ISD4004控制電路設(shè)計(jì)

ISD4004系列語音芯片工作電壓為+3 V,單片錄放時(shí)間8~16 min,音質(zhì)好。芯片采用CMOS 技術(shù)，內(nèi)含時(shí)鐘、抗混疊濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)靜噪及高密度多電平非易失性存儲(chǔ)器陣列。芯片設(shè)計(jì)是基于所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過串行通信接口(SPI)送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)非易失性存儲(chǔ)器中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲[4?5].芯片ISD4004 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要引腳功能如圖2所示。

ISD4004 內(nèi)部器件控制單元設(shè)置非常便于其與STM32序列芯片的SPI進(jìn)行通信設(shè)置。增設(shè)STM32多個(gè)I/O 口來作為對(duì)應(yīng)語音芯片的片選端，即可實(shí)現(xiàn)多片ISD4004 擴(kuò)展。STM32 與多片ISD4004 的接口電路如圖3所示。

STM32 和ISD4004 通過SPI 模塊進(jìn)行通信，兩者M(jìn)OSI、MISO腳對(duì)應(yīng)相互連接，實(shí)現(xiàn)STM32和ISD4004之間數(shù)據(jù)串行傳輸(MSB 位在前)。通信總是由主設(shè)備STM32 發(fā)起。STM32 通過MOSI 腳把數(shù)據(jù)發(fā)送給ISD4004,ISD4004 通過MISO 引腳回傳數(shù)據(jù)給STM32.

全雙工通信的數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)輸入是用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)同步的;時(shí)鐘信號(hào)由主設(shè)備STM32通過SCK腳提供[6?7].

擴(kuò)展為多片語音芯片后，語音信息的存儲(chǔ)空間大大增加，便于擴(kuò)充景點(diǎn)的語音信息量。

2.2 語音錄放控制電路設(shè)計(jì)

語音錄放控制電路如圖4 所示。通過MCU 的I/O控制端來控制串聯(lián)調(diào)整管Q3 或開關(guān)管Q1,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)放音或者錄音。I/O 端輸出高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)錄音，輸出低電平時(shí)實(shí)現(xiàn)放音

2.3 RFID讀卡器接口電路

RFID 讀卡器模塊使用了Philips 的高集成ISO14443A 讀卡芯片MFRC500[8].RFID 讀卡器是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能模塊，其輸出可通過中斷狀態(tài)信息和串口與外部連接。因此，系統(tǒng)利用STM32F103RBT6 的SPI2接口實(shí)現(xiàn)與RFID讀卡器接口之間的數(shù)據(jù)通信，從而自動(dòng)獲得景點(diǎn)位置信息，以控制選擇對(duì)應(yīng)景點(diǎn)導(dǎo)覽語音的播放。讀卡器中斷狀態(tài)直接與STM32F103 的PD口I/O引腳連接;SPI2接口電路形式同圖3類似。

3 主要功能軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件初始化

3.1.1 外設(shè)時(shí)鐘的使能

本設(shè)計(jì)中涉及的外設(shè)時(shí)鐘可以通過APB2 外設(shè)時(shí)鐘使能寄存器來使能。當(dāng)外設(shè)時(shí)鐘沒有啟用時(shí)，軟件無法讀出外設(shè)寄存器的值，返回的數(shù)值始終為0.設(shè)計(jì)中用到的PA 口、PB 口、PD 口的時(shí)鐘分別通過APB2ENR寄存器的第2、3、5 位來設(shè)置，SPI1 的時(shí)鐘通過APB2ENR的第12位來設(shè)置。

3.1.2 I/O口的初始化

本設(shè)計(jì)涉及的I/O 口包括：用于控制片選擴(kuò)展的PA.3、PB.0口，需設(shè)置成開端輸出模式;用于實(shí)現(xiàn)按鍵控制的PA.15(錄音鍵)、PA.0(強(qiáng)制停止鍵)等需設(shè)置為上拉輸入模式;用于實(shí)現(xiàn)SPI通信的PA.5、PA.6、PA.7 口，它們分別對(duì)應(yīng)SPI1的SCK、MISO、MOSI口，應(yīng)由軟件設(shè)置這三個(gè)口為復(fù)用I/O口即第二功能;用于檢測(cè)放音結(jié)束時(shí)語音芯片INT端低電平輸出的PA.8和PD.2設(shè)置為上拉輸入模式。

3.1.3 外部中斷的初始化

外部中斷初始化中主要完成的工作是設(shè)置I/O口與中斷線的對(duì)應(yīng)關(guān)系、開啟與該I/O口對(duì)應(yīng)的線上中斷/事件以及設(shè)置中斷的觸發(fā)條件、配置中斷分組并使能中斷。本設(shè)計(jì)中，將強(qiáng)制停止鍵連接到的PA.0 口對(duì)應(yīng)的中斷觸發(fā)條件設(shè)置為上升沿觸發(fā)，對(duì)應(yīng)的中斷優(yōu)先級(jí)最高;其余按鍵連接的I/O口對(duì)應(yīng)的中斷觸發(fā)條件都設(shè)置為下降沿觸發(fā)。把所有的中斷都分配到第二組，把所有按鍵的次優(yōu)先級(jí)設(shè)置成一樣，而搶占優(yōu)先級(jí)不同。其中，幾個(gè)放音鍵連接的I/O口對(duì)應(yīng)的中斷共用一個(gè)中斷服務(wù)程序，也就是多個(gè)中斷線上的中斷共用一個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)，在該中斷服務(wù)程序里先對(duì)進(jìn)入中斷的信號(hào)進(jìn)行區(qū)分(通過中斷輸入I/O口上的電平判斷)，再分別處理。

3.1.4 SPI模塊的初始化

本設(shè)計(jì)中，通過對(duì)CR1寄存器的設(shè)置，將SPI1模塊設(shè)置成全雙工模式、軟件NSS管理、主機(jī)模式、8 b MSB數(shù)據(jù)格式，并且把SPI1的波特率設(shè)置成了最低(281.25 kHz,為系統(tǒng)時(shí)鐘的256分頻)，其中最重要的是SPI模塊輸出串行同步時(shí)鐘極性和相位的配置，SPI主模塊和與之通信的外設(shè)備時(shí)鐘相位和極性應(yīng)該一致[7].最后，發(fā)送0xff啟動(dòng)傳輸。

根據(jù)ISD4004 不同相位下的SPI 總線傳輸時(shí)序和SPI操作時(shí)序關(guān)系[3?4],要想實(shí)現(xiàn)STM32和ISD4004之間的SPI通信，須將其控制位CPHA和CPOL都設(shè)置為[4]1.

3.2 SPI控制功能軟件實(shí)現(xiàn)

3.2.1 SPI1讀寫字節(jié)函數(shù)

在讀數(shù)據(jù)時(shí)，接收到的數(shù)據(jù)被存放在一個(gè)內(nèi)部的接收緩沖器中;在寫數(shù)據(jù)時(shí)，在被發(fā)送之前，數(shù)據(jù)將首先被存放在一個(gè)內(nèi)部的發(fā)送緩沖器中。對(duì)SPI_DR寄存器的讀操作，將返回接收緩沖器的內(nèi)容;寫入SPI_DR寄存器的數(shù)據(jù)將被寫入發(fā)送緩沖器中。

SPI_SR是16位狀態(tài)寄存器，它的最低位為RXNE,該位為0則接收緩沖為空，為1則接收緩沖非空;SPI_SR的次低位為TXE,該位為0說明發(fā)送緩沖非空，為1則發(fā)送緩沖為空。不斷地查詢發(fā)送/接收緩沖區(qū)是否為空，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有序發(fā)送和接收。

3.2.2 發(fā)送指令函數(shù)

首先，語音芯片ISD4004有如下操作規(guī)則[4]:

(1)串行外設(shè)接口，SPI協(xié)議設(shè)定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK下降沿動(dòng)作，在時(shí)鐘上升沿鎖存MOSI引腳數(shù)據(jù)，在下降沿將數(shù)據(jù)送至MISO引腳。

(2)上電順序，器件延時(shí)TPUD(8 kHz采樣時(shí)，約為25 ms)后才能開始操作。因此，用戶發(fā)完上電指令后，必須等待TPUD,才能發(fā)出下一條操作指令。

例如，從00處放音，應(yīng)遵循如下時(shí)序：

① 發(fā)POWER UP命令;

② 等待TPUD(上電延時(shí));

③ 發(fā)地址值為00的SET PLAY命令;

④ 發(fā)PLAY命令。[!--empirenews.page--]

器件會(huì)從00地址開始放音，當(dāng)出現(xiàn)EOM時(shí)，立即中斷，停止放音。

如果從00處錄音，則按以下時(shí)序：

① 發(fā)POWER UP指令;

② 等待TPUD(上電延時(shí));

③ 發(fā)POWER UP命令;

④ 等待2倍TPUD;

⑤ 發(fā)地址值為00的SET REC命令;

⑥ 發(fā)REC命令。

器件便從00地址開始錄音，一直到出現(xiàn)OVF(存儲(chǔ)器末尾)時(shí)，錄音停止。

3.3 中斷服務(wù)程序

錄音中斷服務(wù)程序流程如圖5 所示。它實(shí)現(xiàn)的功能是在一次長(zhǎng)按錄音鍵時(shí)，將一個(gè)景點(diǎn)的語音信息錄入ISD4004中以預(yù)先設(shè)定的起始地址存儲(chǔ)空間中，松開錄音鍵后，本景點(diǎn)語音內(nèi)容錄音停止。每個(gè)景點(diǎn)的導(dǎo)覽語音存儲(chǔ)的位置，以其起始地址為標(biāo)示。起始地址的安排根據(jù)每段語音的長(zhǎng)度決定。每個(gè)景點(diǎn)語音錄音時(shí)需保持錄音按鍵鎖下不松開，直至本段景點(diǎn)語音錄音結(jié)束。

景點(diǎn)語音播放中斷服務(wù)程序流程如圖6 所示。系統(tǒng)在獲得RFID讀卡器的中斷申請(qǐng)之后，根據(jù)讀卡器接口協(xié)議[8],MCU經(jīng)SPI2接口接收到讀卡器傳來的數(shù)據(jù)信息，分析出RFID所含的ID信息內(nèi)容，并根據(jù)ID所對(duì)應(yīng)的景點(diǎn)位置，即原設(shè)置的景點(diǎn)語音首地址，將此首地址發(fā)送到ISD4004 芯片組，并發(fā)送放音命令，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)景點(diǎn)事先錄制好的導(dǎo)覽語音自動(dòng)播放。開始播放語音信息期間，ISD4004 的I-N-T- 端連接到了STM32 的I/O口上，不斷查詢它的狀態(tài)。當(dāng)這段語音信息放完時(shí)，語音芯片ISD4004的I-N-T- 端會(huì)置低，由此發(fā)送停止播放指令，則實(shí)現(xiàn)播音結(jié)束，并等待下一個(gè)RFID信息的輸入和讀卡器中斷申請(qǐng)。

4 系統(tǒng)調(diào)試測(cè)試結(jié)果

4.1 錄放音模塊調(diào)試

對(duì)于錄音模塊功能的測(cè)試，采用如下的辦法：對(duì)著麥克風(fēng)進(jìn)行放音，用示波器觀察語音芯片的輸入引腳是否有信號(hào)。在語音芯片輸入引腳檢測(cè)到信號(hào)，如圖7(a)所示。

在成功錄入語音后，發(fā)送放音指令在語音芯片輸出引腳得到如圖7(b)所示波形。

4.2 SPI模塊調(diào)試

在錄音電路正確后，發(fā)送放音指令，在芯片對(duì)應(yīng)SPI1模塊功能的引腳端，可以在示波器上看到正確的時(shí)序，如圖8所示。

圖8(a)是片選和時(shí)鐘信號(hào)輸出;圖8(b)和(c)分別是不停地發(fā)送0×55,在STM32 SPI1的數(shù)據(jù)發(fā)送端MOSI和數(shù)據(jù)接收端MISO得到的波形，與實(shí)際相符。

5 結(jié)論

本文提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用可靠，特別適用于山區(qū)自然景點(diǎn)的有軌旅游列車項(xiàng)目等，因而該系統(tǒng)具有很好的實(shí)用價(jià)值?？捎糜趶?fù)雜環(huán)境下的語音導(dǎo)覽系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和調(diào)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。